(57)【要約】【課題】  高電圧・高出力が得られ、容易に組み立てることができ、部品コスト削減、部品組み立て工数削減を実現することのできる電解液を用いた電気二重層キャパシタを提供する。【解決手段】  集電体に分極性電極を形成してなる正極と集電体に分極性電極を形成してなる負極とをセパレータを介して巻回し、円筒状の金属ケースに収容し、電解液を注入することにより形成された電気二重層キャパシタにおいて、軸方向に交互に配置された正極および負極と、正極および負極とを対向するようにそれぞれの電極に対してセパレータを介して配置された負極および正極とを巻回することにより形成される複数のセルと、軸方向に交互に配置された正極および負極の間に配置され、セル間を絶縁するシール部材とを備え、複数のセルを金属ケースに収容し、それぞれのセルに電解液を注入した。【選択図】    図２        
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状集電体に分極性電極を形成してなる正極とシート状集電体に分極性電極を形成してなる負極とをセパレータを介して巻回し、円筒状の金属ケースに収容し、電解液を注入することにより形成された電気二重層キャパシタにおいて、
軸方向に交互に配置された前記正極および前記負極と、前記正極および前記負極とを対向するようにそれぞれの電極に対して前記セパレータを介して配置された負極および正極とを巻回することにより形成される複数のセルと、
軸方向に交互に配置された前記正極および前記負極の間に配置され、前記セル間を絶縁するシール部材とを備え、
前記複数のセルを金属ケースに収容し、それぞれのセルに電解液を注入したことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
【請求項２】
一枚のシート状集電体の面上に前記分極性電極の前記正極ならびに前記負極が形成されたバイポーラ電極を複数備え、
前記バイポーラ電極が他の前記バイポーラ電極と前記セパレータを介して互いに極性の異なる前記分極性電極が対向するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の電気二重層キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタに関し、特に、電気自動車や各種電気機器に使用される電気二重層キャパシタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気二重層キャパシタには、高電圧・高出力を得るために、筒状の単セルを複数並列配置してバスバーなどの接続部材を介してそれらの複数の単セルを直列接続したモジュール構造をしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、電気的に直列接続された集合電池には、イオン導電性フィルムの一方の面に正極剤と負極剤を間隔を空けて交互に配置し、他方の面上には前記一方の面上に配置された正極剤または負極剤とイオン導電性フィルムを間に介して異なる極性の極剤が対向して、一枚のイオン導電性フィルムに複数個の発電要素が電気的に直列接続された固体電解質集合電池がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１に開示される電気二重層キャパシタは、並列配置される複数の筒状のセルを、接続部材を介して直列接続したセルモジュール構造である。セルの一端には、互いに極性の異なる外側端子と内側端子とが同軸的に配設されている。接続部材は、セルの外側端子が係合されてセルを保持するホルダと、セルの内側端子に対応する内側バスバーと、セルの外側端子に対応し、かつ、隣接するセルの内側バスバーに接続される外側バスバーとを備えている。外側端子が接続部材のホルダに係合されるに伴い、外側端子が外側バスバーに接触するとともに内側端子が内側バスバーに接触して１つのセルに接続部材が装着され、隣接する各セルに装着された接続部材の外側バスバーと内側バスバーとが接続されることにより、それらセルが直列接続されている。
【０００４】
上記のような技術を用いた場合、単一キャパシタ素子をそれぞれ金属ケースに収納し、それらを並列配置してバスバーにより直列接続するため、各素子の金属ケースやバスバーのような接続部材など、部品点数も増加する。また、キャパシタ素子を個別に金属ケースに収納する工程、個別封口の工程、端子溶接の工程などが必要となり、工数も増大してしまうという問題があった。また、バスバーを用いることにより、モジュール接続抵抗が大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、特許文献２のように一つの容器に複数の発電要素を収容する技術が考えられる。しかしながら、上記従来の技術では、液体の電解質（電解液）を用いた場合、電解液が発電要素ごとに区切られておらず共通になってしまい、発電要素それぞれにかかる電圧が均一でなくなり、高電圧の部分と低電圧の部分ができてしまい、高電圧の部分の負荷が高くなり、性能劣化が激しく、耐久性に欠けるものになる。また、電解液を用いた場合、イオン導電性フィルムがすべての発電要素で共通になっているので、電解液を含んだイオン導電性フィルムにより短絡を引き起こしてしまうという問題が発生する。
【特許文献１】特開２００２−１９０２８９号公報
【特許文献２】特許第２５２２４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、高電圧・高出力を得るための電気二重層キャパシタの構造で、単一キャパシタ素子をそれぞれ金属ケースに収納し、それらを並列配置してバスバーにより直列接続するときには、各素子の金属ケースやバスバーのような接続部材など、部品点数も増加してしまうという問題を解消することである。また、キャパシタ素子を個別に金属ケースに収納する工程、個別封口の工程、端子溶接の工程などが必要となり、工数も増大してしまうという問題や、また、バスバーを用いることにより、モジュール接続抵抗が大きくなってしまうという問題を解消することも本発明の課題である。さらに、本発明の課題は、液体の電解質（電解液）を用いた場合、電解液が発電要素ごとに区切られておらず共通になってしまい、発電要素それぞれにかかる電圧が均一でなくなり、高電圧の部分と低電圧の部分ができてしまい、高電圧の部分の負荷が高くなり、性能劣化が激しく、耐久性に欠けるものになるという問題を解消し、また、電解液を用いた場合、イオン導電性フィルムがすべての発電要素で共通になっているので、電解液を含んだイオン導電性フィルムにより短絡を引き起こしてしまうという問題を解消することにある。
【０００７】
本発明の目的は、上記の課題を鑑み、高電圧・高出力が得られ、容易に組み立てることができ、部品コスト削減、部品組み立て工数削減を実現することのできる電解液を用いた電気二重層キャパシタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る電気二重層キャパシタは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【０００９】
第１の電気二重層キャパシタ（請求項１に対応）は、シート状集電体に分極性電極を形成してなる正極とシート状集電体に分極性電極を形成してなる負極とをセパレータを介して巻回し、円筒状の金属ケースに収容し、電解液を注入することにより形成された電気二重層キャパシタにおいて、軸方向に交互に配置された正極および負極と、正極および負極とを対向するようにそれぞれの電極に対してセパレータを介して配置された負極および正極とを巻回することにより形成される複数のセルと、軸方向に交互に配置された正極および負極の間に配置され、セル間を絶縁するシール部材とを備え、複数のセルを金属ケースに収容し、それぞれのセルに電解液を注入したことで特徴づけられる。
【００１０】
第２の電気二重層キャパシタ（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは一枚のシート状集電体の面上に分極性電極の正極ならびに負極が形成されたバイポーラ電極を複数備え、バイポーラ電極が他のバイポーラ電極とセパレータを介して互いに極性の異なる分極性電極が対向するように配置されていることで特徴づけられる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数個分のキャパシタ素子を同時に巻回し、一つの金属ケースに収容するので、容易に組み立てることができ、部品コストおよび組み立て工数を削減することができる。また、キャパシタ素子ごとにシール材で区切られているので、隣り合うキャパシタ素子で短絡を起こすことなく、また、電解液の液落を起こすこともないので、高電圧・高出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気二重層キャパシタの断面図である。電気二重層キャパシタ１０は、１つの円筒体ケースなどの容器１１に、４つ分が１体となったキャパシタ素子１２を入れ、電解液を封入したものである。電解液のキャパシタ素子１２の４区分間での流動を妨げるためのシール部材１３が設けられている。
【００１４】
容器１１は、例えば、円筒体ケースであり、円筒体ケースは、４つのセルが１体となったキャパシタ素子１２を挿入するためのセル挿入口１４とセル挿入口１４を封止した封口体１５，１６と、を有する。封口体１５，１６の中央には、キャパシタ素子１２の両端に接続される電極端子１８，２０が設けられている。また、容器１１には、４区分に電解液を注液するための注液口１７を設けている。さらに、容器１１の内面は、ポリイミド系コーティング材で絶縁状態に塗装されている。
【００１５】
容器（金属ケース）１１のセル挿入口１４付近では、封口体１５，１６を係止するために、容器１１に横絞り溝１４ａが形成され、封口体１５，１６の周りに密封するための密封部材１４ｂを取り付け、その密封部材１４ｂと一体となった封口体１５，１６をその横絞り溝１４ａ上に載置した後、容器１１の開口端縁１１ａを内側にカールさせることにより封口体１５，１６が固定される。
【００１６】
図２は、キャパシタ素子１２の一部分を巻き解いた状態で示す図である。キャパシタ素子１２は、通常電極２１，２２とバイポーラ電極２３，２４，２５とを、それらの間にセパレータ２６を介在させて４区分にする境界にシール部材２７を設けて巻回してなる。
【００１７】
図３は、通常電極２１，２２の断面図である。通常電極２１，２２はアルミニウム箔からなるテープ状の集電体２８の両面に、分極性電極２９を形成したものからなる。分極性電極２９は例えば活性炭、カーボンおよびバインダーとしてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混練してシート状としたものである。なお、集電体２８は、箔のほか、金属の板状体もしくは網目状体であってもよい。
【００１８】
集電体２８は分極性電極２９より幅が広く、集電体２８の片側縁部側には分極性電極２９よりはみ出ている、はみ出しリード部３０が形成されている。
【００１９】
図４は、バイポーラ電極２３，２４，２５の断面図である。バイポーラ電極２３，２４，２５はアルミニウム箔からなるテープ状の集電体３１の両面ともに、片面に正極用の分極性電極３２と負極用の分極性電極３３を隙間３４を設けて形成している。分極性電極３２，３３は例えば活性炭、カーボンおよびバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混練してシート状としたものである。なお、集電体３１は、箔のほか金属の板状体もしくは網目状体であってもよい。
【００２０】
セパレータ２６はポリプロピレン製やマニラ麻製、和紙製などのシートからなる。
【００２１】
通常電極２１，２２とバイポーラ電極２３，２４，２５の間には、セパレータ２６がそれぞれ配置される。その際、通常電極２１，２２のはみ出しリード部３０はセパレータ２６の縁部から出るように配置される。上記のはみ出しリード部が内側にそれぞれ倒し込まれ、リード面が形成される。
【００２２】
その後、通常電極２１，２２とバイポーラ電極２３，２４，２５を巻芯３５に巻回して外側をテープで止めてキャパシタ素子１２とされる。
【００２３】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る電気二重層キャパシタの断面図である。電気二重層キャパシタ４０は、１つの円筒体ケースなどの容器４１に、２つのセルを一体にしたキャパシタ素子４２を入れ、電解液４３を封入したものである。電解液４３のキャパシタ素子４２を上素子４４、下素子４５の２つに区分する間での流動を妨げるためのシール部材４６が設けられている。
【００２４】
容器４１は、円筒体ケースであり、円筒体ケースは、２つのセルが一体となったキャパシタ素子４２を挿入するためのセル挿入口４７とセル挿入口４７を封止した封口体４８と、を有する。また、容器４１の底は、防爆弁４９が設けられている。さらに、容器４１の内面は、ポリイミド系コーティング材で絶縁状態に塗装されている。
【００２５】
容器（金属ケース）４１のセル挿入口４７には、周囲に負極端子５０、中央に正極端子５１が同軸的に設けられ、負極端子５０と正極端子５１の間には、絶縁体５２が設けられている。
【００２６】
図６は、キャパシタ素子４２の一部分を巻き解いた状態で示す図である。また、図７は、キャパシタ素子４２の断面図である。キャパシタ素子４２は、図３で示した構造と同様の構造の通常電極５３，５４と図４で示した構造と同様の構造のバイポーラ電極５５とを、液絡防止用のシール部材５７を設け、それらの間にセパレータ５６を介在させて巻芯５８に巻回してなる。
【００２７】
通常電極５３はアルミニウム箔からなるテープ状の集電体５９の両面に、シート状の分極性電極６０を形成したものからなる。分極性電極６０は例えば活性炭、カーボンおよびバインダーとしてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混練してシート状としたものである。なお、集電体５９は、箔のほか、金属の板状体もしくは網目状体であってもよい。そして、この電極が上素子正極となる。
【００２８】
集電体５９は分極性電極６０より幅が広く、分極性電極６０は集電体５９の下側縁部側に沿って配置されて、したがって、集電体５９の上側縁部側には分極性電極６０よりはみ出ている、はみ出しリード部６１が形成されている。
【００２９】
一方、通常電極５４はアルミニウム箔からなるテープ状の集電体６２の両面にシート状の分極性電極６３を形成したものからなる。分極性電極６３は例えば活性炭、カーボンおよびバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混練してシート状としたものである。なお集電体６２は、箔のほか金属の板状体もしくは網目状体であってもよい。そして、この電極が下素子負極となる。
【００３０】
集電体６２は分極性電極６３より幅が広く、分極性電極６３は集電体６２の上側縁部側に沿って配置されて、したがって集電体６２の下側縁部側には分極性電極６３よりはみ出している、はみ出しリード部６４が形成されている。
【００３１】
バイポーラ電極５５はアルミニウム箔からなるテープ状の集電体６５の両面ともに、片面に正極用の分極性電極６６と負極用の分極性電極６７を隙間６８を設けて形成している。分極性電極６６，６７は例えば活性炭、カーボンおよびバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混練してシート状としたものである。なお集電体６５は、箔のほか金属の板状体もしくは網目状体であってもよい。
【００３２】
セパレータ５６はポリプロピレン製やマニラ麻製、和紙製などのシートからなる。
【００３３】
通常電極５３，５４とバイポーラ電極５５の間には、セパレータ５６がそれぞれ配置される。その際、通常電極５４のはみ出しリード部６４はセパレータ５６の下側縁部より下に、また通常電極５３のはみ出しリード部６１はセパレータ５６の上側縁部より上に出るように配置される。上記の上下のはみ出しリード部が内側にそれぞれ倒し込まれ、上面および下面にリード面が形成される。
【００３４】
その後、通常電極５３，５４とバイポーラ電極５５を巻芯５８に巻回して外側をテープで止めてキャパシタ素子４２とされる。
【００３５】
このように、複数個分のキャパシタ素子を同時に巻回し、一つの金属ケースに収容するので、容易に組み立てることができ、部品コストおよび組み立て工数を削減することができる。また、キャパシタ素子ごとにシール材で区切られているので、隣り合うキャパシタ素子で短絡を起こすことなく、また、電解液の液落を起こすこともないので、高電圧・高出力を得ることができる。
【００３６】
次に、本発明の電気二重層キャパシタの製造方法を図１〜図４を用いて説明する。
【００３７】
キャパシタ素子１２はアルミニウム箔からなる集電体３１に正極および負極の両分極性電極３２，３３が塗布された３枚のバイポーラ電極２３，２４，２５と、一枚のアルミニウム箔からなる集電体２８に一つの分極性電極２９が形成された２枚の通常電極２１，２２とを用いて形成する。３枚のバイポーラ電極２３，２４，２５はそれぞれ正極と負極の間３４に、ポリテトラフルオロエチレンのシール部材２７を配置する。
【００３８】
集電体２８，３１に分極性電極２９，３２，３３を形成する方法として、スラリー状の電極材料を集電体２８，３１に塗工し乾燥してもよいし、予め形成しておいた電極シートを集電体２８，３１に接着してもよい。
【００３９】
例えば、４つのキャパシタ素子を直列に接続したものに相当するよう形成された本発明の電気二重層キャパシタ１０について説明する。図２に示すように、負極と正極が交互に配置されるようにバイポーラ電極２３，２４，２５と通常電極２１，２２を配置する。図２においては、内側となるシートでは、通常電極（負極）２１、バイポーラ電極（正極、負極）２４、通常電極（正極）２２と配置する。各電極に対して異なる極性をもつ電極を、セパレータ２６を挟んで配置する。このとき、隣り合う電極とは逆方向の集電体（はみ出しリード部）３０がセパレータ２６より露出するように配置される。また、内側のシートに対してセパレータ２６を挟んで、バイポーラ電極（正極、負極）２３、バイポーラ電極（正極、負極）２５を順に配置する。このとき、内側となるシートとは逆方向の集電体（はみ出しリード部）３０が露出するように配置する。バイポーラ電極２３，２４，２５の正極および負極の間にはポリテトラフルオロエチレンで帯状に形成されたシール部材２７を配置する。
【００４０】
そのシール部材２７は、集電体３１に塗布された分極性電極３３の２倍程度の厚さをもつ。これにより隣り合う電極が確実に絶縁される。さらに外側に位置するそれぞれの電極の最外層にセパレータ２６を配設する。
【００４１】
以上のように配置されたキャパシタ素子材料を一度に（同時に）巻き上げる。これにより、セパレータ２６を介して負極と正極の端面が互いに逆方向に露出するようにして巻回されたキャパシタ素子１２が４つ直列接続したものに相当する電気二重層キャパシタを一度の巻回作業で形成することができる。
【００４２】
また、キャパシタ素子材料を巻回した際にそれぞれのシール部材２７が余分に一周するように形成する。この巻回物を一つの円筒ケースに挿入し、円筒ケース１１の両端を電極端子１８，２０を備えた集電板と封口体１５，１６により封口する。さらに、円筒体のキャパシタ素子のセルの区画ごとに開口された注液口１７より電解液を注入する。このとき、電極と同時に巻き上げたシール部材２７がケースに密着し、シール効果を発揮するため、各キャパシタ素子のセル間で電解液が区切られ、液落が防止される。電解液が液落してしまうと、キャパシタ素子のそれぞれのセルにかかる電圧が均一でなくなり、高電圧の部分と低電圧の部分ができてしまい、高電圧の部分の負荷が高くなり、性能劣化が激しく、耐久性に欠けるものになる。
【００４３】
以上により複数のキャパシタ素子を直列接続したものと同等の電気二重層キャパシタを簡易な工程と少ない部品点数で成形することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、高電圧・高出力の電気二重層キャパシタとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電気二重層キャパシタの断面図である。
【図２】キャパシタ素子の一部分を巻き解いた状態で示す図である。
【図３】通常電極の断面図である。
【図４】バイポーラ電極の断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る電気二重層キャパシタの断面図である。
【図６】キャパシタ素子の一部分を巻き解いた状態で示す図である。
【図７】キャパシタ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０      電気二重層キャパシタ
１１      容器
１２      キャパシタ素子
１３      シール部材
１４      セル挿入口
１５      封口体
１６      封口体
１７      注液口
１８      電極端子
２０      電極端子
２１      通常電極
２２      通常電極
２３      バイポーラ電極
２４      バイポーラ電極
２５      バイポーラ電極
２６      セパレータ
２７      シール部材
２８      集電体
２９      分極性電極
３０      はみ出しリード部
３１      集電体
３２      正極用分極性電極
３３      負極用分極性電極
３４      隙間
３５      巻芯
【図１】
2005353722.tif 000003
【図２】
2005353722.tif 000004
【図３】
2005353722.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005353722.tif 000007
【図６】
2005353722.tif 000008
【図７】
2005353722.tif 000009